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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）06-076-05中圖分類號(hào)：TP273

★張文霞，王翠（青島城市學(xué)院，山東青島266106）

★仲崇慶（青島邁斯特科技有限公司，山東青島266106）

關(guān)鍵詞：污水提升系統(tǒng)；可編程邏輯控制器；硫化氫傳感器；監(jiān)控系統(tǒng)

污水提升系統(tǒng)在污水處理系統(tǒng)中發(fā)揮著輸送污水的作用^[1-3]，可以提升系統(tǒng)工作的好壞，直接影響水污染控制的效果。污水提升系統(tǒng)包含污水收集與輸送系統(tǒng)的管道系統(tǒng)和污水提升泵站兩大部分^[4,5]。管道系統(tǒng)收集各種污水并輸送到污水處理廠，而污水提升泵站是將地下的污水進(jìn)行高度提升，使其在管道系統(tǒng)中進(jìn)行重力自流^[6]。污水提升系統(tǒng)的供配系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主要設(shè)備選擇和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣^[7]。文獻(xiàn)^[8]探討了中小型污水提升泵站電氣系統(tǒng)的供配系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主要設(shè)備選擇、監(jiān)控系統(tǒng)選用等方面的設(shè)計(jì)，為確保中小型污水提升泵站的安全性提供了借鑒。文獻(xiàn)^[9]在一個(gè)污水提升泵站自動(dòng)控制項(xiàng)目改造工程中采用羅克韋爾公司的SLC500 PLC，在泵站的控制工藝、自控系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)等方面做了研究。文獻(xiàn)^[10]針對(duì)傳統(tǒng)污水處理泵站自動(dòng)化程度低、無法遠(yuǎn)程監(jiān)控等問題，設(shè)計(jì)了一套基于PLC和安卓APP的污水處理泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。其采用西門子S7-400 PLC采集現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)，經(jīng)Wi-Fi模塊并通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳到云服務(wù)器。運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)視并控制設(shè)備的運(yùn)行。

傳統(tǒng)的污水處理泵站采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA或者手動(dòng)操作。SCADA監(jiān)控系統(tǒng)價(jià)格偏高，并且原有的地下污水泵站由于實(shí)施時(shí)間較早、采用的技術(shù)相對(duì)落后，故障率高，而且在定期清掏時(shí)，污水散發(fā)的臭味嚴(yán)重污染周邊環(huán)境，同時(shí)沉淀物產(chǎn)生的有毒有害氣體對(duì)維護(hù)人員造成的傷害也時(shí)有發(fā)生。本文針對(duì)傳統(tǒng)污水泵站環(huán)保要求的不足，設(shè)計(jì)了一套以西門子S7-1200為控制核心的智能污水提升系統(tǒng)，通過傳感器采集液位、硫化氫氣體的濃度實(shí)現(xiàn)反饋控制，并采用多泵熱切換控制模式，通過增設(shè)一臺(tái)格柵機(jī)來實(shí)現(xiàn)污水和雜物的分離，使得整個(gè)設(shè)備在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)了免清掏以及污水的密閉排放，同時(shí)設(shè)備配備了遠(yuǎn)程監(jiān)控接口，并設(shè)計(jì)了上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水提升系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控和故障報(bào)警。

1　系統(tǒng)控制原理

污水提升泵站系統(tǒng)分上位機(jī)、下位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備3部分。上位機(jī)部分由基于西門子組態(tài)軟件開發(fā)的上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件組成，如圖1所示，用來監(jiān)控污水泵站各類設(shè)備的運(yùn)行情況并收集數(shù)據(jù)。下位機(jī)部分主要由S7-1200 PLC組成，負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送上來的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后上傳到上位機(jī)組態(tài)軟件。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分主要由配電柜、各類儀表、相關(guān)機(jī)電設(shè)備組成，液位計(jì)、硫化氫氣體變送器等儀表把檢測(cè)出來的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給PLC，經(jīng)過處理后對(duì)提升泵、啟閉機(jī)等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，PLC采集配電柜的電壓、電流信息，并對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，如圖1所示。當(dāng)PLC對(duì)提升泵進(jìn)行啟動(dòng)控制時(shí)，PLC數(shù)字量模塊先發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器閉合，繼電器閉合后給提升泵啟動(dòng)端子一個(gè)高電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)提升泵的啟動(dòng)控制。提升泵池春夏季液位較高而秋冬季液位較低，是污水處理泵站耗電量最大的設(shè)備之一。為了節(jié)約能源、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，本文采用液位控制模式，PLC程序中計(jì)算每臺(tái)提升泵的運(yùn)行時(shí)間，程序控制優(yōu)先啟動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間未運(yùn)行的提升泵，優(yōu)先停止運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的提升泵，從而實(shí)現(xiàn)合理選擇提升泵的啟停，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。在污水泵站控制系統(tǒng)中，PLC與上位機(jī)之間通信采用的是PROFIBUS協(xié)議。本地控制面板上使用三擋位開關(guān)，分別用于“自動(dòng)-手動(dòng)-停止”。靜壓差液位計(jì)用于正常水泵液位，依照箱體水位變化，從下往上分設(shè)停機(jī)液位、啟動(dòng)液位、雙泵液位和報(bào)警液位4個(gè)液位，設(shè)計(jì)出單泵運(yùn)行與雙泵運(yùn)行的水位處理原則。單泵運(yùn)行方式是水位第一次到達(dá)單泵啟泵液位后A泵啟動(dòng)，然后水位下降到停機(jī)液位，A泵停止運(yùn)行，水位第二次到達(dá)單泵啟泵液位后B泵啟動(dòng)，然后水位下降到停機(jī)液位，B泵停止運(yùn)行，水位第三次到達(dá)單泵啟泵液位后C泵啟動(dòng)，然后水位下降到停機(jī)液位，C泵停止運(yùn)行。若水泵運(yùn)行過程中C泵出現(xiàn)故障，則自動(dòng)切換到A泵運(yùn)行，若A泵故障則切換到B泵運(yùn)行。雙泵運(yùn)行是當(dāng)A泵運(yùn)行后水位繼續(xù)上升到雙泵運(yùn)行時(shí)候，則將B泵投入運(yùn)行，直到水泵下降到停止液位2，雙泵一起停止運(yùn)行。在此期間若任意一臺(tái)水泵故障，則C備用泵作為替換泵投入運(yùn)行，直到水泵下降到停止液位2雙泵停止運(yùn)行。當(dāng)C泵運(yùn)行后水位繼續(xù)上升到雙泵運(yùn)行時(shí)候，則將A泵投入運(yùn)行，直到水泵下降到停止液位2，雙泵一起停止運(yùn)行。溢流報(bào)警液位是當(dāng)液位達(dá)到溢流液位后，需要同時(shí)啟動(dòng)三臺(tái)泵，正常是不會(huì)出現(xiàn)該種情況，但是為了預(yù)防壓力傳感器失效，故設(shè)置此液位。干轉(zhuǎn)液位是當(dāng)液位達(dá)到干轉(zhuǎn)液位后，即干轉(zhuǎn)浮球斷開后需要關(guān)閉所有運(yùn)行的水泵，該功能是為了預(yù)防壓力傳感器失效或故障，引起無法停機(jī)。

圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)硬件功能設(shè)計(jì)

智能污水提升系統(tǒng)采集液位、硫化氫氣體的濃度等，利用西門子PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)3臺(tái)污水提升泵、1臺(tái)格柵機(jī)、1臺(tái)風(fēng)機(jī)等設(shè)備的控制，如圖2所示。污水泵功率為200kW。為了防止高壓電誤入信號(hào)線造成設(shè)備的損壞，在每個(gè)DI/DO中加隔離繼電器，并且在每個(gè)AI/AO中加浪涌保護(hù)器。根據(jù)污水提升系統(tǒng)的流量、功率以及控制方式和控制精度等控制要求選擇污水提升泵、格柵機(jī)、風(fēng)機(jī)的型號(hào)，根據(jù)需要采集的傳感器信號(hào)的量程和精度選擇液位傳感器、硫化氫傳感器，根據(jù)控制輸入輸出點(diǎn)數(shù)選擇PLC的電源、數(shù)字量輸入輸出以及模擬量輸入輸出模塊。

圖2  PLC需要采集的輸入信號(hào)示意

2.1　污水提升泵

污水提升泵具有防纏繞、無堵塞、自動(dòng)耦合和自動(dòng)控制等功能，可以排送固體顆粒及長(zhǎng)纖維垃圾，如圖3所示。該泵排出水口徑為400mm，流量3000m3/h，揚(yáng)程為30m，功率為200kW，通過固體顆粒直徑最大可為100mm。該泵電機(jī)額定電壓380V，頻率50Hz、三相交流電源。輸送介質(zhì)溫度不超過40攝氏度，輸送液體介質(zhì)pH值為4-10，輸送介質(zhì)中固相物容積比在2%以下，輸送介質(zhì)密度小于1.2×103kg/m3。

（a）

（b）

圖3  污水提升泵（a）及組成（b）

2.2　格柵機(jī)

格柵機(jī)能將污水管網(wǎng)中的木片、布片、餐廚垃圾等雜物垃圾進(jìn)行粉碎，可以解決垃圾過多堵塞水泵問題，保護(hù)水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖4所示。電機(jī)啟動(dòng)后，格柵機(jī)的刀片及立式轉(zhuǎn)鼓同時(shí)不等速轉(zhuǎn)動(dòng)，污水中的固體漂浮物隨著污水進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓后被旋轉(zhuǎn)的柵網(wǎng)截留并送至切割區(qū)，兩組不等速轉(zhuǎn)動(dòng)的刀片迅速進(jìn)行軸向和徑向切割，將其粉碎成8-10mm的細(xì)小顆粒，粉碎后的小顆粒由水泵抽水一起流走，有效防止水泵纏繞、堵塞。

圖4  格柵機(jī)

2.3　硫化氫傳感器

為保障系統(tǒng)運(yùn)維人員安全，需要對(duì)泵站內(nèi)硫化氫氣體濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。在線式硫化氫傳感器（如圖5所示）能夠有效地檢測(cè)泵站中對(duì)人體有害的硫化氫的濃度，該傳感器檢測(cè)量程為0-200ppm，分辨率為0.01ppm，響應(yīng)時(shí)間小于30秒，工作電源為24VDC，本質(zhì)安全型，防爆防腐蝕，接口為4-20mA電流信號(hào)輸出，最遠(yuǎn)傳輸距離為1200米。PLC控制程序通過采集硫化氫傳感器的4-20mA輸出，并在程序中判斷實(shí)測(cè)值與超量閾值的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)超閾值報(bào)警的模式，以此來保障人員的人身安全。硫化氫濃度超標(biāo)報(bào)警時(shí)，需要同時(shí)啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)降低硫化氫氣體濃度。

圖5  在線式硫化氫氣體傳感器

2.4　主電路圖

3臺(tái)水泵和1臺(tái)格柵機(jī)采用380V三相交流供電，污水泵有單泵運(yùn)行和雙泵運(yùn)行兩種運(yùn)行方式，水泵和格柵機(jī)均采用PLC控制接觸器的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)主回路的通斷電控制，其主控制電路如圖6所示。

圖6  主電路圖

3　系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

設(shè)備監(jiān)控模塊的作用是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的儀表和設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集，經(jīng)PLC處理后，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)，并顯示在上位機(jī)監(jiān)控軟件上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)電設(shè)備及儀表進(jìn)行監(jiān)控。出現(xiàn)故障或異常信息后上位機(jī)監(jiān)控軟件會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)在上位機(jī)組態(tài)畫面上顯示報(bào)警信息。我們根據(jù)系統(tǒng)的控制流程和控制要求設(shè)計(jì)了PLC程序和上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件。

3.1　PLC系統(tǒng)I/O表

根據(jù)該智能污水提升系統(tǒng)需要采集的傳感器型號(hào)的形式和數(shù)量以及需要控制的外部設(shè)備的數(shù)量，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的安全性冗余設(shè)計(jì)等因素，該控制系統(tǒng)由26個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、12個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)和2個(gè)模擬量輸入點(diǎn)組成，系統(tǒng)I/O分配如表1所示。

表1  PLC系統(tǒng)I/O表

3.2　上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

考慮系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要，我們采用西門子組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)上位監(jiān)控程序，上位機(jī)與PLC之間采用網(wǎng)線通信，可以在遠(yuǎn)程對(duì)該污水提升系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵的啟動(dòng)與停止、格柵機(jī)的啟動(dòng)與停止、風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)與停止，并通過設(shè)置報(bào)警液位、啟動(dòng)液位和停泵液位，減少了水泵頻繁啟動(dòng)造成的損壞，增加了水泵的壽命；系統(tǒng)可以對(duì)液位傳感器、硫化氫傳感器和浮球位置實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過圖像化組態(tài)界面對(duì)采集的傳感器數(shù)據(jù)繪制曲線、超限報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了污水提升系統(tǒng)的高度自動(dòng)化，并且具有故障自投、自動(dòng)輪換等各種實(shí)用功能。組態(tài)軟件界面如圖7所示。

圖7  上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

4　結(jié)論

地下建筑在衛(wèi)生間污水提升和排放的要求上提出了更高的要求。本文設(shè)計(jì)的智能污水提升系統(tǒng)能夠分離污水中的大顆粒物，使其不進(jìn)入水泵，避免了水泵堵塞。該系統(tǒng)采用雙泵節(jié)能運(yùn)行模式，通過增加或減少水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)來實(shí)現(xiàn)水泵的高效運(yùn)行，從而有效地降低能耗。同時(shí)遠(yuǎn)程組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，無需人員長(zhǎng)期值守，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高。

★基金項(xiàng)目：山東省高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（M2022338）。

作者簡(jiǎn)介：

張文霞（1980-），女，山東青島人，副教授，碩士，現(xiàn)就職于青島城市學(xué)院機(jī)電工程系，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、人工智能技術(shù)與新能源技術(shù)。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年6月刊